公路隧道衬砌空洞成因及典型破坏形式

翟志强

山西远方路桥（集团）有限责任公司 山西大同 037006

1 本文研究背景

部分公路隧道在贯通通车后，随着运营年限的增长，隧道内壁将逐渐出现衬砌开裂、衬砌剥离掉落、内壁渗水等问题，如果后续养护工作不及时，初期的衬砌病害将快速劣化，且病害发展进度不断加快，严重情况下将导致隧道衬砌大面积开裂、剥离，严重削弱隧道衬砌对隧道围岩的约束作用，衬砌碎渣及渗水聚集在路面上严重影响隧道的安全、顺畅通行。通过分析部分公路隧道衬砌病害案例发现，隧道衬砌病害基本归因于内部空洞、衬砌厚度不均匀等因素；尤其是隧道拱顶位置，受衬砌空洞的影响更加显著，由于空洞的出现，衬砌在外荷载作用下出现一定的应力重分布现象，进而影响衬砌的整体力学行为，造成部分位置拉应力超限，最终诱发衬砌开裂、剥离及渗水病害[1]。

在公路隧道施工实践中，新奥法施工方案在隧道掘进及围岩支护中的应用较为广泛，采用新奥法开挖的隧道，围岩衬砌结构由初期支护和二次衬砌两部分构成；初期支护根据隧道围岩等级及稳定性情况一般选用锚杆喷射混凝土或增设钢拱架，二次衬砌由混凝土整体浇筑，初期支护与二次衬砌共同构成隧道围岩复合衬砌结构；但在具体施工过程中，受累于施工条件、现场质量控制、人为因素及环境条件等因素，隧道围岩衬砌背后容易出现空洞病害，空洞的随机分布不同程度上破坏了隧道围岩复合衬砌结构的稳定性和完整性[2]。

2 公路隧道衬砌空洞成因分析

目前，为了提高检测效率，降低空洞检测对隧道围岩衬砌结构的破坏程度，在公路隧道衬砌空洞病害检测中，常用到地质雷达；通过总结大量无损检测数据发现，衬砌空洞广泛存在于初期支护和二次衬砌中，且衬砌空洞分布有明显的差异性，绝大多数空洞集中分布在隧道拱顶位置，而隧道拱腰及边墙位置的空洞分布数量相对较少，且衬砌空洞容易以集群的形式出现；此外，隧道围岩衬砌空洞数量与围岩等级并无明显的相关关系，等级介于Ⅱ～Ⅴ范围内的围岩均会出现衬砌空洞病害。

2.1 地质及水文等内部成因分析

隧道地质及水文等条件作为外部影响因素对围岩衬砌空洞影响尤为显著，是造成隧道初期支护空洞的重要诱因之一；由于隧道围岩等级差异，在开挖掘进过程中，由于围岩风化程度、岩石节理发育程度、天然断裂带分部等条件差异，均为围岩衬砌空洞的出现提供了天然条件。在围岩等级较高的区段，由于岩体节理发育成熟，围岩基本呈散粒状，在采用爆破开挖时，很容易造成围岩超挖或者欠挖问题，初期支护如果不能及时跟进或支护不到位，极易在初期支护背后产生空洞；此外，隧道围岩渗水也是造成初期支护背后空洞的主要原因，富集在隧道围岩中的径流水长期冲刷，并裹挟大量泥沙，最终造成衬砌背后空洞病害，对于出现围岩涌水病害的区段，初期支护混凝土无法及时封堵涌水，在涌水压强作用下，导致混凝土支护出现永久性大变形，进而引发支护背后空洞病害[3]。

2.2 施工及人为等外部成因分析

因施工及人为等外部成因导致的衬砌空洞病害广泛存在于初期支护和二次衬砌结构中。初期支护空洞病害集中出现在爆破开挖的隧道衬砌中，由于爆破材料布置不合理导致围岩爆破不彻底或者爆破当量过大，最终引起围岩超挖或者欠挖问题，此外，由于隧道勘察阶段工作不到位，导致勘察数据不准确，在爆破设计过程中出现爆破当量设计过大或不足的问题，同样引起超挖或欠挖问题，围岩超挖或欠挖造成围岩表面平整度下降，加之围岩基面爆破碎屑清理不彻底，导致初期支护混凝土无法与围岩紧密贴合，从而形成衬砌空洞；初始喷射混凝土完成后，加挂钢筋网与混凝土初喷面贴合不良，加之现场复喷射作业不规范，在围岩与支撑拱架等交界位置存在不密实问题，最终导致复喷混凝土形成封闭背后空洞。

二次衬砌背后空洞病害主要受衬砌混凝土自身性能和浇筑模板刚度水平影响。隧道围岩二衬砌结构使用模板混凝土，如果衬砌混凝土本身性能不达标势必会引发衬砌背后空洞病害，由于混凝土原材料质量不达标、配合比设计不合理、拌和质量控制不当等原因导致衬砌混凝土强度、塌落度、干缩性等因素不满足设计要求，衬砌混凝土在凝结硬化过程中出现明显干缩、刚度不足等问题，引起二衬砌与初期支护之间的贴合性下降，在二衬砌背后形成非连续空洞。此外，由于衬砌混凝土模板自身刚度不足，拱顶模板出现明显沉降，模板沉降引发拱顶衬砌混凝土沉陷，最终在拱顶模板支架附近出现空洞病害。

3 公路隧道衬砌空洞典型破坏形式概述

空洞在公路隧道衬砌中广泛存在，长期出现的衬砌空洞势必会影响隧道衬砌的稳定性和完整性，给隧道正常通行造成不利影响；空洞对隧道围岩衬砌的破坏主要通过围岩对衬砌压力的变化得以体现，由于衬砌受围岩压力被迫改变，导致衬砌内力响应异常，最终表现为衬砌开裂、剥离、掉落等病害。

因衬砌背后空洞引发的衬砌破坏大致可分为以下三种形式。第一，失去衬砌约束的围岩稳定性和承载能力均下降；空洞分布于衬砌和隧道围岩之间，影响了衬砌与围岩之间的贴合性，衬砌与围岩之间的传力路径被迫改变，衬砌对围岩的约束反力下降，围岩在自重、渗流等因素的综合作用下相继出现应力松弛、大变形等问题，最终演变为失稳、塌落病害，累及隧道衬砌结构。第二，衬砌承载能力被削弱；衬砌空洞间接影响地面反力对衬砌的约束作用，衬砌失去约束而向围岩反方向变形，局部薄弱位置在变形挤压作用下出现开裂。第三，衬砌渗水引起的渗漏、冻胀及锈蚀破坏；围岩径流水长期集聚在空洞内并向衬砌内部渗透，经过冬夏季冻融循环后，衬砌出现冻胀、渗漏破坏，衬砌内钢筋在浸水条件下则出现锈蚀破坏。

4 结语

综上，本文以公路隧道衬砌空洞病害为研究对象，详细阐述了隧道不同衬砌结构的空洞病害成因，最后简单概述了部分隧道围岩衬砌空洞病害的典型破坏形式。